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涡轮增压发动机真的省油吗

「涡轮增压技术」的普及初衷是为节油·同时可以提升性能表现

解析基础:

  1. 增压系统结构
  2. 富氧燃烧概念
  3. 扭矩马力关系

想要理解涡轮增压发动机如何实现节油,掌握这三项知识是根本。首先来看增压系统的圆形原理:增压器本身是没有动力系统的,其涡轮叶轮的运转既不依靠电驱,同时也不是燃烧燃油利用热能驱动。


基础知识

动力源为内燃式热机运行中的排气,燃油汽车装备的是「四冲程·活塞往复循环式热机」,其第四冲程就是排气冲程。由于缸内(燃烧室)的压力非常大,尾气的流速与压力也是极高的,运动中的排气管想要堵住都很难,在涉水驾驶时即使水位超过尾管也会被排气压力推出。

由此可见尾气的压力有多大,那么利用这种高流速的高压尾气驱动增压器涡轮,其转速则势必非常快。增压器的涡轮正是由从排气歧管引出的高压排气驱动运转,同时带动进气管路中的叶轮以相同转速转动。

图1:增压器结构

图2:完整结构动态演示


「叶轮」在进气系统中运转,转速可高达每分钟数万到十余万转。空气通过排气冲程的吸力与进气冲程的负压力吸入,在流经叶轮时则会被被高速旋转产生的压力压缩。空气由各种分子组成,其中主要三类如下。

  • 氮气78%
  • 氧气20.94%
  • 二氧化碳0.03%

剩余部分为稀有气体。各类分子之间是存在间隙的,因为分子(与其中电子)有互斥的特点;如果没有任何压力约束的话,空气理论上就不存在。

这里所谓的20.94%的氧气占比标准,是零海拔的标准氧浓度;距离水平线越近则空气受到重力约束程度越高,说白了就是空气被压力(拉力)缩小了分子间隙,而随着海拔的升高空气受重力作用会越来越小,失去了束缚作用则分子互斥的程度就会严重,或者理解为空气变得“散了一些”。

比如在海拔5000米的高度,分子互斥理论就会导致氧气减少到11.5%的标准;然而燃油汽车装备的内燃式热机,其运行基础是单位体积内的氧分子数量越多越好,那么通过外力把氧气压缩的更加“密实”——缩小分子间隙,增加氧分子数量,这是不是最理想的进气方式呢?


富氧燃烧

涡轮增压发动机增加了氧浓度,需不需要增加喷油量呢?很多非车辆用户认为TURBO发动机费油,原因正是错误理解了两个概念。

  • TURBO-增氧不增量(体积概念)
  • 排量+等于增量

涡轮增压技术并不会改变发动机进气量,比如2.0L-T的增压机,其每个气缸的排量都会是「0.5L」(升);没有增压系统不会变化,加入增压器后还是不会变化。增加仅仅是【固定标准量中氧分子数量】,这句话是不是有些难以理解呢?再看一张图片也许就释然了。


可以这样理解:标准海拔的氧浓度为20.94%,就将其理解为“1L=2094个氧分子”(示例)。

  • 2.0L-NA自吸为2094个
  • 2.0L-Turbo高度压缩可增加到≥3000个

这就是所谓的「富氧状态」,燃烧的本质是燃油碳氢化合物(或其他可燃物)的氧化反应;在反应过程中会产生【光能&热能】,其实能转化为动力的热能只是一种巧合的发现,之后在通过机械结构善加使用而已。

而反应的本质还是分子运动碰撞产生的推动力,决定动力强弱的核心因素是氧气的浓度,只要浓度比常压标准更高;那么分子运动时产生的推动力也就更强,所以涡轮增压发动机仍然是按照14.7:1的空气燃料比喷油,只是在进气系统中做了一个小升级;提升扭矩的技术方向,从原始的增加排量(增大消耗燃油基数)的笨方法,转型为「标准喷油-增氧·增扭」的先进方式。


马力概念

公制马力是行业通用单位标准,驱动力为1PS=75kg·1m/1s(每秒每米)的运动效率。在物体质量不变的前提下,马力越大则移动速度越快,下面可以说明节油的基础方式了:功率=扭矩×转速÷9549,马力=功率×1.36。汽车想要顺畅的加速需要足够大的马力,提升马力的方式无疑是这样三种。

  1. 大扭矩×高转速=强劲
  2. 大扭矩×转速=合格
  3. 小扭矩×转速=合格

转速的概念:曲轴每分钟运转的圈数,四冲程发动机曲轴转两圈,喷油做工一次。那么内燃机当然是转速越高,喷油频率越高,也就是耗油量越大喽,所以第三种组合虽然也有合格的动力,但是油耗总是会偏高。


真实数据对比:

  • 2.0L-NA平均最大扭矩200N·m左右(4000pm左右达到峰值)
  • 2.0T-增压机峰值数据可达400N·m(1500~4000rpm区间维持峰值)

相同排量与喷油量的发动机,2.0T增压机会有一倍之高的最大扭矩,那么相同的马力需求需要的转速标准就会差太多。比如要求100PS马力运行时:2.0NA的转速4000转左右,但是这种水平的2.0T连1800转都不到,油耗孰高孰低还有任何争议吗?

总结:涡轮增压技术是一定更节油的,只是因动力强劲很多,用户在实际驾驶时会快速改变驾驶风格;养成频率拉高转速体验驾驶乐趣的习惯后,油耗也总会显得略高一些。然而如果用排量与推重比相当的增压机汽车,以自然吸气车辆用户的风格去驾驶,那么油耗一定是低很多的。

(柴油发动机节油·原理也是高热能大扭矩-低转速运行)

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